【汽車】高性價比的碳纖維車輪成為鋁的真正替代品

波蘭-德國車輪制造商Fibratech正在努力實現電動車碳纖維車輪的低成本制造,并提供真正的大規模生產替代鋁技術。成為最大的一級車輪供應商之一的供應商,汽車行業的圣杯近在咫尺。

 

自20世紀60年代初鍛造鋁車輪被引入乘用車以來,該領域的重量并未大幅減輕。眾所周知,復合材料最有可能進一步減輕車輪重量。此外,只有少數公司已經開發出使用熱壓罐甚至RTM技術的安全(測試)輪輞。

 

為什么我們在街上看不到CFRP車輪?答案很簡單務實:因為價格。不幸的是,目前的碳纖維車輪制造商無法大幅降低產品銷售價格,因為他們的生產成本很高,約為每輛€950英鎊(圖1)。當然,在確定最終價格之前,應該考慮一些利潤和機器折舊。當產品相對昂貴時(尤其是與鋁解決方案相比),它最終會被置于“需求層次”的頂端。這意味著高價格和低容量。

 

圖1:7kg碳纖維整體車輪的平均成本結構

Fibratech技術核心的車輪成本組件

 

Fibratech于2017年由空中客車集團的兩位工程師Michael Sobolewski和Claus Georg Bayreuther創立。他們制定了一個崇高的目標,即開發一種碳纖維車輪技術,讓每一位汽車用戶都能使用。強調這一挑戰的獨特性,該公司提供了車輪重量和成本之間的平衡。為了實現這一目標,這家初創公司必須專注于rim的兩個主要成本組成部分:材料和勞動力成本。

 

材料成本

第一個成本部分包括夾層泡沫、樹脂系統和碳纖維材料。經過幾次測試后,貝特朗決定使用 Rohacell 作為唯一能夠承受苛刻的注射和熱處理條件(在RTM注射和使用過程中)的材料。為了降低材料成本,該團隊開發了一種特殊的技術,該技術基于對一大塊原始贏創泡沫進行切片和造型。這種方法有利于降低成本,但也提供了車輪設計的自由度(確保使用更大的泡沫體積)(圖2)。

 

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圖2:firatech碳纖維車輪firatech

 

對于熱量和強度要求較低的應用(但仍必須承受非??量痰能囕喪褂脳l件),Fibratech使用一種新型的贏創材料,稱為 羅亞克力 。這種材料可用于大眾運輸或商用車輛,包括貨車和運輸卡車,如電動貨車等。


關于環氧樹脂系統,車輪是一個熱量要求很高的部件,必須承受高達200°c的溫度,這種溫度可能出現在車輛快速制動期間,由于摩擦而產生較高的制動盤溫度。Fibratech根據Evonik和Kaneka Japan子部件準備了自己的配方,可提供所需的極限強度、疲勞和沖擊性能(對這種類型的懸掛元件非常重要)。這種獨特的環氧樹脂系統提供了高機械和熱性能。相對于生產規模,碳纖維成本的進一步潛在降低是可能的。

 

勞動力成本

勞動力成本是下一個關鍵組成部分,可分為以下幾個階段:
碳纖維預成型;
表面處理和涂層。

由于車輪形狀通常非常復雜,Fibratech專注于采用鑄鋁技術難以制造的空氣動力學形狀,并通過積極的氣流影響進一步降低能耗(圖3)。

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圖3: Fibratech碳纖維車輪結構

 

Fibratech技術的預成型階段采用獨特、易于自動化的工藝,包括:
必須遵循模具形狀的編織材料的振動沖壓;
輪筒區域的纏繞;
編織;
刺繡;
量身定制的纖維布置。

后三種技術來自非復合部門。紡織行業的自動化程度很高,Fibratech使用了許多快速且可重復的解決方案,以更加自主的方式使車輪變得更輕(圖4)。

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圖4:來自IPF德累斯頓的萊布尼茨聚合物研究所的定制纖維鋪放技術用于IPF德累斯頓的Fibratech碳纖維車輪應用

 

在樹脂注射和脫模步驟之后,必須通過簡單的CNC加工完成車輪(圖5)。

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圖5:fibra tech sp . z o . o .車輪的最終CNC銑削

 

在碳纖維車輪的最后制造步驟中,Fibratech采用了基于粉末涂層技術的涂層方法(圖6)。由于與Farco(一家鋁車輪涂層供應商)的合作,涂層具有恒定的厚度,無需進行高要求的表面處理。

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圖6:粉末噴涂過程中的碳纖維車輪

 

成本效益和出色的安全性

上述技術使Fibratech能夠大幅降低CFRP車輪的制造成本,每只車輪約為€600,即成本降低約37%(圖7)。降低成本并不是貝特朗技術的唯一優勢。對于受過航空航天訓練的創始人來說,創造一種能提高運輸安全的產品和生產技術是極其重要的。通過與慕尼黑的南德電視公司長達5年的合作,Fibratech對塑料車輪進行了全面的測試,證明了它們在日常使用中的高度安全性和耐用性。

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圖7:7kg碳纖維整體車輪的平均成本降低

 

觀點

碳纖維車輪為汽車用戶帶來眾所周知的好處,例如:
大幅減重;
顯著降低慣性矩;
低得多的能耗;
增加行程范圍;
制動距離更短;
提高車輛性能;
高阻尼系數降低了噪音水平。
基于這些優勢,Fibratech團隊計劃確保碳纖維車輪技術在我們的日常生活中得到廣泛應用。該公司希望重新定義CFRP車輪客戶的普遍形象,他們不一定僅僅是超級跑車或賽車運動的用戶。作為一個概念,輪子是我們可以追溯到羅馬帝國的文明中非常重要的一部分。在當前電氣化時代的浪潮中,Fibratech旨在為普通汽車用戶提供他們應得的東西:更好、更容易、更安全和更舒適的交通工具,由高性價比的碳纖維車輪確保。